FR2673717A1 - METHOD FOR MEASURING DYNAMIC LOAD GENERATED BY VEHICLES ON A PAVEMENT, DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION. - Google Patents
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Abstract
L'invention a trait à un procédé de mesure de charges dynamiques utilisant un ou plusieurs capteurs piézo-électriques (30). Le signal fourni par le-dit capteur (30) subit une adaptation d'impédance (32) suivie d'une amplification à gain contrôlée (35) d'un échantillonnage et d'une conversion (36). La microstructure (36) réalise le calcul par intégration simple ou multiple contrôles le gain et corrige la valeur linéairement ou non en fonction de la vitesse.The invention relates to a method for measuring dynamic loads using one or more piezoelectric sensors (30). The signal provided by said sensor (30) undergoes impedance matching (32) followed by controlled gain amplification (35), sampling and conversion (36). The microstructure (36) performs the calculation by single or multiple integration controls the gain and corrects the value linearly or not according to the speed.
Description
La présente invention se rapporte à un procédé de traitement numérique deThe present invention relates to a method for digital processing of
signaux fournis par des capteurs piézo-électriques implantés dans une chaussée pour permettre une mesure efficace des charges dynamiques appliquées par le signals provided by piezoelectric sensors installed in a pavement to allow effective measurement of the dynamic loads applied by the
trafic à la chaussée.traffic on the roadway.
Les techniques de réalisation, de préfabrication et de pose de capteurs The techniques of realization, prefabrication and installation of sensors
piézo-électriques sont connues et font l'objet d'un certain nombre de brevets. piezoelectric are known and are the subject of a number of patents.
Ces techniques peuvent employer des capteurs coaxiaux utilisant des céramiques comme élément piézo-électrique ou des capteurs à éléments coaxiaux utilisant les polymères (P V D F ou autres) comme élément piézo-électrique ou encore These techniques can use coaxial sensors using ceramics as a piezoelectric element or sensors with coaxial elements using polymers (P V D F or others) as a piezoelectric element or else
des éléments plans présentés sous forme de film polymère. planar elements presented in the form of a polymer film.
Dans tous les cas ci-dessus, le traitement du signal revêt une impor- In all of the above cases, signal processing is important.
tance considérable pour l'obtention d'une mesure de la charge dynamique appliquée considerable tance to obtain a measurement of the applied dynamic load
par les essieux.by the axles.
Les traitements de signal connus actuellement sont, soit des traitements par mesure de tension, 0-crête positive, soit crête-crête, soit des intégrations analogiques ou utilisant des amplificateurs de charge; aucun ne tient compte compte de variation de réponse de la chaussée entrainant des modifications de The signal treatments currently known are either treatments by voltage measurement, positive 0-peak, or peak-peak, or analog integrations or using charge amplifiers; none takes into account variation in pavement response leading to changes in
forme du signal ni d'étalonnage automatique, ni des effets de pneumatiques sous- signal form neither automatic calibration nor effects of under-
gonflés La présente invention a pour buts, la suppression de tous les réglages nécessaires avec les concepts antérieurs, l'amélioration du traitement du signal The present invention aims to remove all the adjustments necessary with the prior concepts, to improve signal processing.
en prenant en compte les effets dûs à la chaussée, aux résines de pose, aux pneu- taking into account the effects due to pavement, laying resins, tires
matiques et à la vitesse ainsi que de réaliser un étalonnage automatique permanent and speed as well as performing permanent automatic calibration
de la pesée à partir de véhicules caractéristiques. weighing from characteristic vehicles.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la descrip tion qui va suivre. Other characteristics and advantages will appear during the description which follows.
Les figures qui suivent, données à titre d'exemple, permettent de The figures which follow, given by way of example, make it possible to
mieux comprendre le problème et l'invention proposée. better understand the problem and the proposed invention.
* La figure 1 représente les différentes dispositions de capteurs proposées pour effectuer les mesures. * Figure 1 represents the different arrangements of sensors proposed to carry out the measurements.
* La figure 2 représente la forme des signaux en fonction de la rigidité * Figure 2 shows the shape of the signals as a function of the stiffness
mécanique de la chaussée.pavement mechanics.
* La figure 3 représente la forme du signal en fonction du gonflage * Figure 3 shows the shape of the signal as a function of inflation
des pneumatiques.tires.
* La figure 4 représente la forme des signaux en fonction de l'impé- * Figure 4 shows the shape of the signals as a function of the impe
dance d'entrée choisie.chosen entry dance.
* La figure 5 représente le chronogramme du passage d'un véhicule * Figure 5 represents the chronogram of the passage of a vehicle
sur une station constituée par une boucle et 2 capteurs piézoélectriques. on a station consisting of a loop and 2 piezoelectric sensors.
zz
* La figure 6 représente un des tableaux de classification possible. * Figure 6 shows one of the possible classification tables.
* La figure 7 représente la répartition de charge souhaitable des essieux * Figure 7 shows the desirable axle load distribution
caractéristiques des véhicules caractéristiques. characteristics of characteristic vehicles.
* La figure 8 représente le schéma fonctionnel de traitement du signal suivant l'invention. * La figure 9 représente l'effet de la correction automatique du gain * Figure 8 shows the functional diagram of signal processing according to the invention. * Figure 9 shows the effect of automatic gain correction
de l'amplificateur d'entrée suivant l'invention. of the input amplifier according to the invention.
* La figure 10 représente la méthode de détermination de la surface utile du signal permettant de déterminer le poids dynamique du véhicule suivant * Figure 10 represents the method of determining the useful surface of the signal making it possible to determine the dynamic weight of the following vehicle
l'invention.the invention.
La figure 11 représente le traitement global des signaux issus d'une voie de circulation équipée d'une boucle et de 2 capteurs suivant Figure 11 shows the overall processing of signals from a traffic lane equipped with a loop and 2 sensors according to
l'inven tion.the invention.
A la figure la, on utilise deux boucles à induction et un capteur piézo- In FIG. 1a, two induction loops and a piezoelectric sensor are used.
électrique pour effectuer les mesures. electric to carry out the measurements.
La vitesse est mesurée par le temps qui s'écoule entre l'activation des 2 boucles ( 1 & 2); la pesée est obtenue par traitement du signal d'un seul The speed is measured by the time that elapses between the activation of the 2 loops (1 &2); weighing is obtained by signal processing of a single
capteur piézo-électrique ( 3).piezoelectric sensor (3).
Aux figures lb et lc, on utilise une boucle ( 4) pour déterminer la présence du véhicule et 2 capteurs piézo-électriques ( 5 et 6) pour les mesures de vitesse et de poids dynamique Cette configuration présente les avantages suivants: Mesure de vitesse indépendante de la hauteur du véhicule et des conditions météorologiques due à la variation du volume de détection de la boucle In Figures 1b and 1c, a loop (4) is used to determine the presence of the vehicle and 2 piezoelectric sensors (5 and 6) for speed and dynamic weight measurements. This configuration has the following advantages: Independent speed measurement vehicle height and weather conditions due to variation in loop detection volume
à induction ( 4).induction (4).
double pesée à l'aide du traitement des signaux des capteurs ( 5 et double weighing using signal processing from sensors (5 and
6) donc amélioration de la précision. 6) therefore improved precision.
A la figure ld, la détection de véhicule est effectuée par un système volumétrique 7 type détecteur à ultra-sons, à effet Doppler (radar) ou à infrarouge In FIG. 1d, vehicle detection is carried out by a volumetric system 7 of the ultrasonic, Doppler (radar) or infrared detector type.
en remplacement de la boucle à induction ( 4). replacing the induction loop (4).
A la figure le, la détection de véhicule est effectuée par un séparateur de véhicule ( 10) du type de ceux utilisés dans les péages d'autoroutes par exemple barrière à infrarouge, barrière à micro-ondes, ou système de caméra CCD linéaire ou autre, la pesée étant réalisée par le traitement des signaux des capteurs 11 et 12 Dans les figures lb, c, d et e, la pesée est améliorée par rapport In FIG. 1c, the vehicle detection is carried out by a vehicle separator (10) of the type used in motorway tolls, for example an infrared barrier, a microwave barrier, or a linear CCD camera system or the like. , the weighing being carried out by processing the signals from the sensors 11 and 12 In FIGS. 1b, c, d and e, the weighing is improved with respect to
à la figure la, grâce à une meilleure mesure de vitesse et à une double pesée. in Figure la, thanks to better speed measurement and double weighing.
La figure 2 a montre la déformation ( 15) de la chaussée ( 13) due à l'effet d'un essieu pesant ( 14) Cette déformation peut être accentuée en fonction Figure 2a shows the deformation (15) of the roadway (13) due to the effect of a heavy axle (14) This deformation can be accentuated depending
du type de chaussée et du poids des essieux. type of roadway and axle weight.
Cette déformation de la chaussée progresse avec l'essieu Elle créera donc une déformation du support du capteur avant l'attaque du capteur par l'essieu. This deformation of the roadway progresses with the axle. It will therefore create a deformation of the sensor support before the sensor attacks the axle.
Cette déformation se caractérisera par l'apparition d'un signal négatif avant celui relatif au passage de l'essieu sur le capteur. La figure 2 b montre les signaux qui seraient obtenus sur une chaussée indéformable se rapprochant du comportement des chaussées en béton armé épais This deformation will be characterized by the appearance of a negative signal before that relating to the passage of the axle on the sensor. Figure 2b shows the signals that would be obtained on a non-deformable pavement approaching the behavior of pavements in thick reinforced concrete
sur sous-couche rigide lors du passage d'un essieu triple. on rigid underlayment when passing a triple axle.
La figure 2 c montre les signaux ( 17) qui seraient obtenus sur une chaussée semi-rigide Les signaux relatifs aux essieux ( 16) se superposent à la FIG. 2 c shows the signals (17) which would be obtained on a semi-rigid roadway The signals relating to the axles (16) are superimposed on the
déformation de la chaussée ( 18).deformation of the roadway (18).
Il en est de même à la figure 2 d o la déformation est telle que la The same is true in Figure 2 where the deformation is such that the
partie positive du signal de l'essieu central est quasiment inexistante. positive part of the signal from the central axle is almost non-existent.
Les 3 figures 2 b, c et d, mettent en évidence les erreurs entrainées par une mesure de poids par la valeur de la tension 0-crête positive ( 19) du signal ( 17) ou la nécessité de limiter les mesures aux chaussées très rigides com me The 3 figures 2 b, c and d highlight the errors caused by a weight measurement by the value of the positive 0-peak voltage (19) of the signal (17) or the need to limit the measurements to very rigid pavements as
l'indique la forme du signal ( 16) et la valeur ( 17). indicates the form of the signal (16) and the value (17).
Elles mettent également en évidence la difficulté de faire une mesure de tension crête-crête en prenant, soit la valeur ( 20), soit la valeur ( 21) comme They also highlight the difficulty of making a peak-peak voltage measurement by taking either the value (20) or the value (21) as
le montre la figure 2 d.shown in Figure 2 d.
Les figures 3 a et b, mettent en évidence la forme des signaux recueillis ( 23 & 25) pour deux essieux identiques ayant des pneus gonflés ( 23) en 3 a et des pneus dégonflés en 3 b Les mesures montrent qu'à vitesse et charge constantes lorsque le pneu est dégonflé, la durée du signal est plus grande et la valeur crête Figures 3 a and b show the shape of the signals collected (23 & 25) for two identical axles with inflated tires (23) in 3 a and deflated tires in 3 b The measurements show that at speed and load constant when the tire is deflated, the signal duration is longer and the peak value
plus faible.weaker.
Ces deux schémas montrent que la mesure par amplitude n'est pas correctement fondée et qu'il n'est pas suffisant de tenir compte de la durée de l'impulsion pour effectuer une correction de vitesse La durée de cette impulsion These two diagrams show that the measurement by amplitude is not correctly founded and that it is not enough to take into account the duration of the pulse to carry out a speed correction The duration of this pulse
étant dépendante du gonflage du pneumatique. being dependent on the inflation of the tire.
Les figures 4 a et b, montrent l'influence de l'adaptation d'impédance une grande impédance d'entrée (environ 10 à 50 M Ohms) permettra d'obtenir un signal tel que décrit à la figure 4 a; une faible impédance d'entrée de l'ordre de 40 à 100 K Ohms permettra d'obtenir un signal quasi-symétrique comme indiqué à la figure 4 b Dans le premier cas, le poids dynamique du véhicule sera représenté par l'intégrale simple de la courbe entre les deux inversions des signaux ( 26 & 27) dans le second cas par l'intégrale double du signal entre les points 28 et 29. Une étude statistique détaillée des mesures de poids statique d'un grand nombre de véhicules, permet de mettre en évidence l'existence de véhicule que nous qualifierons de "véhicule caractéristique"; le tableau de classification Figures 4 a and b show the influence of the impedance matching a large input impedance (about 10 to 50 M Ohms) will allow to obtain a signal as described in Figure 4 a; a low input impedance of the order of 40 to 100 K Ohms will make it possible to obtain a quasi-symmetrical signal as indicated in FIG. 4 b In the first case, the dynamic weight of the vehicle will be represented by the simple integral of the curve between the two inversions of the signals (26 & 27) in the second case by the double integral of the signal between points 28 and 29. A detailed statistical study of the static weight measurements of a large number of vehicles, allows to highlight the existence of a vehicle that we will qualify as a "characteristic vehicle"; the classification table
de la figure 6 et la courbe de la figure 7 permettent de mieux expliquer le sys- in Figure 6 and the curve in Figure 7 provide a better explanation of the system
tème L'analyse statistique mentionnée ci-dessus, met en évidence pour une ou plusieurs classes de véhicules, une corrélation entre le poids d'un essieu et le poids total des véhicules Cette corrélation peut être très simple ou linéaire. Par exemple, on trouve en France une répartition (fig 7) du poids du premier essieu des véhicules de catégorie 10 suivant tableau de la figure 6 centrée sur teme The statistical analysis mentioned above, highlights for one or more classes of vehicles, a correlation between the weight of an axle and the total weight of vehicles. This correlation can be very simple or linear. For example, in France there is a distribution (fig 7) of the weight of the first axle of category 10 vehicles according to the table in figure 6 centered on
6,08 t pour des véhicules chargés à plus de 35 t. 6.08 t for vehicles loaded over 35 t.
L'écart type de la répartition sur le premier essieu est de 300 kg. The standard deviation of the distribution on the first axle is 300 kg.
Ce type de véhicule sera utilisé pour réaliser un étalonnage automatique permanent. This type of vehicle will be used to perform a permanent automatic calibration.
La présente invention a pour objet de proposer un traitement complet du signal, permettant de résoudre l'ensemble des problèmes énoncés cidessus, The object of the present invention is to propose a complete signal processing, making it possible to solve all of the problems stated above,
en apportant le maximum de fiabilité dans le temps et le maximum d'automaticité. by providing maximum reliability over time and maximum automaticity.
La figure 8 décrit le principe selon l'invention Un capteur piézo- FIG. 8 describes the principle according to the invention A piezo sensor
électrique ( 30) est relié par un câble ( 31) à un circuit d'adaptation d'impédance ( 32) dont la valeur d'adaptation est modifiable par l'élément ( 33); une faible impédance d'entrée permettra d'obtenir un signal symétrique du genre de celui de la figure 4 a; une forte impédance d'entrée permettra d'obtenir un signal du type de celui de la figure 4 b Le signal est ensuite transmis par le conducteur ( 34) vers un amplificateur à gain variable ( 35) Il est ensuite échantillonné et chaque valeur est convertie par un convertisseur analogique digital ( 36) dont les electric (30) is connected by a cable (31) to an impedance matching circuit (32), the matching value of which can be modified by the element (33); a low input impedance will make it possible to obtain a symmetrical signal of the kind of that of FIG. 4 a; a high input impedance will make it possible to obtain a signal of the type of that of FIG. 4 b The signal is then transmitted by the conductor (34) to a variable gain amplifier (35) It is then sampled and each value is converted by a digital analog converter (36), the
valeurs sont lues par une micro-structure ( 37) programmée Cette microstruc- values are read by a programmed microstructure (37) This microstruc-
ture ( 37) peut agir sur le coefficient d'amplification de ( 35) par un système ( 38) ture (37) can act on the amplification coefficient of (35) by a system (38)
pour accroître ou diminuer le gain. to increase or decrease the gain.
L'impédance d'entrée détermine la méthode de calcul de la valeur de base du poids dynamique Po; pour une faible impédance, on calculera l'intégrale double entre 26 et 27 suivant figure 4 a et pour une forte impédance, l'intégrale The input impedance determines the method for calculating the basic value of the dynamic weight Po; for a low impedance, we will calculate the double integral between 26 and 27 according to figure 4 a and for a high impedance, the integral
simple entre les 2 points de la courbe suivant figure 4 b. simple between the 2 points of the curve according to figure 4 b.
L'impédance d'entrée fige le traitement de base du signal. The input impedance freezes the basic signal processing.
Dans la suite, nous prenons l'exemple de la haute impédance d'entrée. In the following, we take the example of the high input impedance.
Le coefficient d'amplification sera déterminé de manière à utiliser au mieux les possibilités du convertisseur dans sa gamme de tension On fera en sorte que la The amplification coefficient will be determined so as to make the best use of the possibilities of the converter in its voltage range.
valeur crête positive de la moyenne des signaux relatifs à un nombre donné d'es- positive peak value of the mean of the signals relating to a given number of
sieux caractéristiques, soit située à une valeur Vc Cette valeur entrainant par 3 t; exemple une saturation de l'amplificateur ( 35) pour un essieu de 18 ou 20 tonnes la figure 9 représente une amplification avec un coefficient K. La méthode d'échantillonnage, conversion et intégration, est décrite à la figure 10 La fréquence d'échantillonnage déterminant la durée ( 30) sera de manière classique supérieure ou égale à 50 fois celle du signal à digitaliser two characteristics, either located at a value Vc This value resulting in 3 t; example saturation of the amplifier (35) for an axle of 18 or 20 tonnes figure 9 represents an amplification with a coefficient K. The method of sampling, conversion and integration, is described in figure 10 The sampling frequency determining the duration (30) will conventionally be greater than or equal to 50 times that of the signal to be digitized
et permettra de déterminer les points 40, 41,,de la courbe 42. and will determine the points 40, 41,, of the curve 42.
Le convertisseur analogique digital permettra d'affecter une valeur à chacun de ces points La sommation de l'ensemble de ces valeurs entre les points 26 et 27 permettra de calculer le poids d'origine Po de l'essieu En fait, on aura ajouté un certain nombre de "carrés élémentaires" ( 43) les uns aux autres pour calculer le poids d'origine Po Le "carré élémentaire" sera l'espace compris The analog digital converter will assign a value to each of these points The summation of all these values between points 26 and 27 will calculate the original weight Po of the axle In fact, we will have added a number of "elementary squares" (43) to each other to calculate the original weight Po The "elementary square" will be the space included
entre deux temps d'échantillonnage et un pas du convertisseur de tension. between two sampling times and one step of the voltage converter.
On obtiendra donc une valeur de Po égale à un certain nombre "q" We will therefore obtain a value of Po equal to a certain number "q"
de "carrés élémentaires" Ce ( 43). of "elementary squares" Ce (43).
Po = q Ce Le système effectue ensuite une correction en fonction de la vitesse Po = q Ce The system then performs a correction depending on the speed
à l'aide d'une formule linéaire ou non linéaire pour obtenir un valeur P'o. using a linear or non-linear formula to obtain a P'o value.
P'o = Po f(V) Une seconde correction sera ensuite effectuée en fonction du gain P'o = Po f (V) A second correction will then be made according to the gain
K de l'amplificateur pour obtenir une troisième valeur P"o. K of the amplifier to obtain a third value P "o.
P"o = K Po f (V) Une troisième correction sera ensuite effectuée à partir des poids des essieux caractéristiques des véhicules caractéristiques de manière à ce que la moyenne des poids de N essieux caractéristiques soit égale à la valeur moyenne du poids de l'essieu caractéristique PEC de l'étude statistique des poids statiques des véhicules caractéristiques P" i caract = PEC P "o = K Po f (V) A third correction will then be made from the weights of the characteristic axles of the characteristic vehicles so that the average of the weights of N characteristic axles is equal to the average value of the weight of the characteristic axle PEC from the statistical study of the static weights of characteristic vehicles P "i caract = PEC
qui permet de déterminer périodiquement la valeur de >J\. which periodically determines the value of> J \.
Le poids final d'un essieu sera P"ol P"o x ou P"'o = K Po f (V) =K q Ce f(V) Il apparait clairement que le coefficient d'amplification et la valeur de Ce sont liés Si K croît de 20 ' pour compenser un abaissement de la réponse The final weight of an axle will be P "ol P" ox or P "'o = K Po f (V) = K q Ce f (V) It is clear that the amplification coefficient and the value of Ce are linked If K increases by 20 'to compensate for a lowering of the response
électrique de l'ensemble capteur-chaussée-résine, Ai devra baisser de 20 % pour obtenir le même poids pour un essieu donné à vitesse donnée. of the sensor-pavement-resin assembly, Ai must drop by 20% to obtain the same weight for a given axle at a given speed.
La procédure de détermination d'étalonnage automatique fonctionnera en permanence et permettra de tenir compte de l'ensemble chaussée-résinecapteur en fonction des conditions ambiantes de température humidité, La vitesse pourra être déterminée comme le montre les figures lb,c,d, et 11, à l'aide d'une boucle à induction et de deux capteurs piézo- électriques. La boucle à induction 40 sera reliée à un détecteur de boucle 41 The automatic calibration determination procedure will operate continuously and will take account of the pavement-resin-sensor assembly as a function of the ambient conditions of humidity and temperature. The speed can be determined as shown in Figures 1b, c, d, and 11 , using an induction loop and two piezoelectric sensors. The induction loop 40 will be connected to a loop detector 41
fournissant suivant fig 5 un signal de présence de véhicule 42 adressé à la micro- providing according to fig 5 a vehicle presence signal 42 addressed to the micro-
structure ( 37) directement ou par un interface Les cap teurs piézoélectriques et 30 ' seront reliés à la micro-structure ( 37) par deux systèmes identiques à ceux décrits ci-dessus, constitués des adaptateurs d'impédance 32 et 32 ' avec structure (37) directly or via an interface The piezoelectric sensors and 30 'will be connected to the micro-structure (37) by two systems identical to those described above, consisting of impedance adapters 32 and 32' with
réglage externe 33 et 33 ' des amplificateurs à gain variable 35 et 35 ' des échantil- external adjustment 33 and 33 'of the variable gain amplifiers 35 and 35' of the samples
lonneurs convertisseurs 36 et 36 ' et des correcteurs de coefficient d'amplification 36 and 36 'converter loggers and amplification coefficient correctors
37 et 37 '.37 and 37 '.
La micro-structure 37 déterminera la vitesse du véhicule à l'aide du temps 43 fig 5 et de la connaissance de la distance entre les capteurs 30 et ' La géométrie du véhicule sera déterminée par les temps 44, 45, 46, 47 et The micro-structure 37 will determine the speed of the vehicle using time 43 fig 5 and knowledge of the distance between the sensors 30 and 'The geometry of the vehicle will be determined by times 44, 45, 46, 47 and
la connaissance de la vitesse.knowledge of speed.
Le poids des essieux sera déterminé pour chaque capteur de la manière indiquée ci-dessus, ce qui augmentera la précision sous réserve que les conditions The axle weights will be determined for each sensor as described above, which will increase the accuracy provided that the conditions
de roulage soient correctes.are correct.
D'autres réalisations suivant la description ci-dessus peuvent être Other embodiments as described above can be
faites par exemple, avec des micro-structures électriques non programmées. made for example, with non-programmed electrical micro-structures.
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